總體擁有成本用於分析和估計購置的壽命周期成本，它是所有與設計相關的直接和間接成本的擴展集，包括工程技術成本
、安裝和維護成本、材料清單（BOM）成本和NRE（研發）成本等。通過考慮係統級因素有可能最大限度地減少總體擁有成本，從而帶來可持續的長期盈利能力。

    美高森美公司（Microsemi）提供具有硬核ARM Cortex-M3微控製器和IP集成的SmartFusion2 SoC FPGA器件，它采用成本優化的封裝
，具有減少BOM和電路板尺寸的特性。這些器件具有低功耗和寬溫度範圍

，能夠在沒有冷卻風扇的極端條件下可靠地運行。 SmartFusion2 SoC FPGA架構將一個硬核ARM Cortex-M3 IP與FPGA架構相集成，可以實現更大的設計靈活性和更快的上市時間。美高森美為電機控製算法開發提供了具有多個多軸電機控製參考設計和IP的生態係 統，使由多處理器解決方案轉向單一器件解決方案（即SoC FPGA）更加容易。

影響TCO的因素

以下是影響係統TCO的一些因素。

   （1）長壽命周期。FPGA可以在現場部署之後進行重新編程，這延長了產品的壽命周期，從而使設計人員能夠專注於新產品開發，實現更快的上市時間。

   （2）BOM.美高森美基於閃存技術的FPGA在上電時無需啟動PROM或閃存MCU來加載FPGA，它們是零級非易失性/即時啟動器件。與基於SRAM的FPGA器件不同
，美高森美基於閃存的FPGA無需附加上電監控器
，這是因為閃存開關不會隨電壓而改變。

   （3）上市時間。OEM廠商之間的激烈競爭迫切需要更多的產品差異化和更快的上市時間。經過驗證的IP模塊可大幅縮短設計時間。目前已經可以提供多個構 建工業解決方案所需的IP模塊，同時更多的模塊正在開發中。SoC表現出的另一個獨特優勢是可以用於調試FPGA設計。為了調試FPGA設計，可以通過用 於調試的高速接口，利用微控製器子係統從FPGA中提取信息。

   （4）工程工具成本。與FPGA開發工具昂貴的概念相反，美高森美提供用於FPGA開發的免費Libero SoC IDE，僅在開發高端器件時才需要付費。

工業驅動係統

    工gong業ye驅qu動dong係xi統tong由you一yi個ge電dian機ji控kong製zhi器qi件jian和he一yi個ge通tong信xin器qi件jian構gou成cheng，電dian機ji控kong製zhi器qi件jian包bao含han了le驅qu動dong逆ni變bian器qi的de邏luo輯ji和he保bao護hu邏luo輯ji，通tong信xin器qi件jian則ze使shi監jian控kong控kong製zhi能neng夠gou對dui運yun行xing時shi間jian參can數shu進jin行xing初chu始shi化hua和he修xiu改gai。

    在典型的驅動係統（圖1）中zhong，可ke能neng使shi用yong多duo個ge控kong製zhi器qi器qi件jian來lai實shi現xian驅qu動dong邏luo輯ji。一yi個ge器qi件jian可ke能neng執zhi行xing與yu電dian機ji控kong製zhi算suan法fa相xiang關guan的de計ji算suan，第di二er個ge器qi件jian可ke能neng運yun行xing與yu通tong信xin相xiang關guan的de任ren務wu，第di三san個ge器qi件jian則ze可ke能neng運yun行xing與yu安an全quan性xing相xiang關guan的de任ren務wu。

多軸電機控製

    傳統上
，工業電機控製應用使用微控製器或DSP來運行電機控製所需的複雜算法，在大多數傳統的工業驅動中，FPGA與微控製器或DSP一起使用，用於數 據采集和快速作用保護。除了數據采集、PWM生成和保護邏輯
，FPGA傳統上並未在實現電機控製算法方麵發揮主要作用。

    使用微控製器或DSP實現電機控製算法的方法並不容易擴展到多個以獨立速度運行的電機（多軸電機控製），美高森美SmartFusion2 SoC FPGA可以使用單一器件來實現集成且完整的多軸電機驅動控製（圖2）。

    控製方麵可以分為兩個部分。一個部分用於運行磁場定向控製（FOC）算法、速度控製、電流控製、速度估計、位置估計和PWM生成；另一個部分則包括速度 曲線、負載特性
、過程控製和保護（故障和報警）。執行FOC算法屬於時間關鍵型，需要在極高的采樣速率下進行（在微秒範圍），特別是針對具有低定子電感的高速電機。這使得在FPGA中實現FOC算法變得更優越。過程控製
、速度曲線和其他保護無需快速更新，因而能夠以較低的采樣速率執行（在毫秒範圍），並且能夠在內置Cortex-M3子係統中進行編程。

    晶體管開關周期在驅動中發揮著重要的作用
，如果FOC回路執行時間比開關周期短得多

，硬件模塊可以重用於計算第二個電機的電壓。這意味著器件可以在相同的成本下提供更高的性能。

   （1）電機控製IP模塊。圖3為無傳感器磁場定向控製算法
，這一部分將會討論這些模塊，它們作為IP核提供。

    ● PI控製器。比例積分（PI）控製器是用於控製係統參數的反饋機製
，它具有兩個用於控製控製器動態響應的可調增益參數-比例和積分增益常數。PI控製器的 比例分量是比例增益常數和誤差輸入的乘積，而積分分量是累積誤差和積分增益常數的乘積。這兩個分量被加在了一起。PI控製器的積分階段可能在係統中引起不 穩定
，因為數據值不受控製地增加。這種不受控製的數據上升稱作積分飽卷，所有的PI控製器實現方案都包括一個抗飽卷機製

，用於確保控製器輸出是有限的。美 高森美的PI控製器IP模塊使用hold-on-saturation（保持飽和）算法用於抗飽卷。這個模塊還提供附加特性以設置最初的輸出值。

    ● 磁場定向控製（FOC）。FOC是通過獨立地確定和控製轉矩和磁化電流分量來為電機提供最優電流的算法。在永磁同步電機（PMSM）中，轉子已經磁化。因 此，為電機提供的電流隻用於轉矩。FOC是計算密集型算法，但是美高森美電機控製參考設計已經針對器件資源的最優使用而構建。FOC算法包括 Clarke

、Park、逆Clarke和逆Park變換。

    ● 角度估計。FOC的(de)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)是(shi)轉(zhuan)子(zi)角(jiao)度(du)。精(jing)確(que)確(que)定(ding)轉(zhuan)子(zi)角(jiao)度(du)對(dui)於(yu)確(que)保(bao)低(di)功(gong)耗(hao)是(shi)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)。增(zeng)添(tian)確(que)定(ding)位(wei)置(zhi)和(he)速(su)度(du)的(de)物(wu)理(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)會(hui)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)並(bing)降(jiang)低(di)可(ke)靠(kao)性(xing)。無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)算(suan)法(fa)有(you)助(zhu)於(yu)消(xiao)除(chu)傳(chuan)感(gan)器(qi)，但(dan)是(shi)增(zeng)加(jia)了(le)計(ji)算(suan)複(fu)雜(za)性(xing)。美(mei)高(gao)森(sen)美(mei)針(zhen)對(dui)無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)控(kong)製(zhi)提(ti)供(gong)了(le)兩(liang)個(ge)角(jiao)度(du)計(ji)算(suan)算(suan)法(fa)IP模塊-一個基於Luenberger觀測器，另 一個基於直接反電動勢計算。該公司還提供基於霍爾傳感器和編碼器的單獨參考設計。

    ● PLL.PLL用於同步信號
，在多個應用中有用，例如逆變器的角度估計和電網同步。

    ● 速su率lv限xian製zhi器qi。速su率lv限xian製zhi器qi模mo塊kuai可ke以yi實shi現xian係xi統tong變bian量liang或huo輸shu入ru的de平ping滑hua改gai變bian。例li如ru，在zai電dian機ji控kong製zhi係xi統tong中zhong
，如ru果guo電dian機ji所suo需xu的de速su度du突tu然ran改gai變bian，係xi統tong可ke能neng變bian得de不bu穩wen定ding。為wei了le避bi免mian此ci類lei情qing形xing，速su率lv限xian製zhi器qi模mo塊kuai用yong於yu從cong初chu始shi速su度du轉zhuan變bian到dao所suo需xu的de速su度du。速su率lv限xian製zhi器qi模mo塊kuai可ke以yi進jin行xing配pei置zhi以yi控kong製zhi改gai變bian的de速su率lv。

    ● 空間矢量調製。空間矢量調製模塊改善了直流總線利用率，並消除了晶體管開關的短脈衝。因為晶體管開啟/關斷時間比脈衝持續時間長
，短脈衝會導致不正確的開關行為。

    ● 三相PWM生成。在所有計算的最後

，可以得到三相電機電壓。這些電壓用於生成逆變器中晶體管的開關信號。PWM模塊為六個（三個高側和三個低側）晶體管產 生(sheng)開(kai)關(guan)信(xin)號(hao)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)和(he)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)插(cha)入(ru)等(deng)先(xian)進(jin)特(te)性(xing)。可(ke)編(bian)程(cheng)的(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)插(cha)入(ru)特(te)性(xing)有(you)助(zhu)於(yu)避(bi)免(mian)逆(ni)變(bian)器(qi)引(yin)腳(jiao)上(shang)的(de)災(zai)難(nan)性(xing)短(duan)路(lu)情(qing)況(kuang)。可(ke)編(bian)程(cheng)的(de)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)插(cha)入(ru)特(te)性(xing)使(shi) ADC測量與PWM信號生成能夠同步。該模塊可以配置成與僅由N-MOSFET組成的逆變器或同時包括N-MOSFET和P-MOSFET的逆變器一起工 作。

   （2）在SoC中調試FPGA設計。通常，在微控製器上調試設計比在FPGA上進行調試相對簡單一些。在SoC中，可以利用 FPGA的高性能，同時保持在微控製器中更快速調試的優勢。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控製器子係統和FPGA架構可以通過AMBA APB或AXI總線彼此進行通信。這樣可以把測試數據注入FPGA架構中，或者從FPGA架jia構gou中zhong記ji錄lu調tiao試shi數shu據ju，從cong而er幫bang助zhu實shi現xian運yun行xing時shi間jian的de內nei部bu數shu據ju可ke視shi化hua，用yong於yu實shi時shi調tiao試shi。固gu件jian代dai碼ma可ke以yi單dan步bu運yun行xing，在zai代dai碼ma中zhong可ke以yi設she置zhi斷duan點dian來lai分fen析xiFPGA寄存器數據。

基於SmartFusion2 SoC FPGA的多軸電機控製解決方案通過USB連接至主機PC，並與圖形用戶界麵（GUI）通信，進行啟動/停止電機，設置電機速度值和其他係統參數，描繪多達四個係統變量
，例如電機速度、電機電流和轉子角度（圖4）。

   （3）生態係統。美高森美提供一組豐富的IP庫，包括前麵討論過的數種電機控製功能。這些模塊可以輕易定製
，並可以在美高森美器件中移植。使用 Libero SoC軟件的Smart Design工具，這些模塊可以采用圖形方式配置和連接在一起。借助於這些IP模塊，設計人員能夠顯著減少在FPGA中實現電機控製算法所需的時間。

這些IP模塊已在以高達30

，000r/min轉速和200kHz開關頻率運行的電機上進行了測試。

工業通信協議

    工gong業ye網wang絡luo的de發fa展zhan趨qu勢shi是shi通tong過guo使shi用yong更geng快kuai的de網wang絡luo通tong信xin替ti代dai點dian至zhi點dian通tong信xin。實shi現xian此ci類lei高gao速su通tong信xin需xu要yao支zhi持chi更geng高gao的de帶dai寬kuan，這zhe對dui於yu同tong時shi處chu理li電dian機ji控kong製zhi算suan法fa的de微wei控kong製zhi器qi或huoDSP來說 並不容易。在大多數情況下，會使用一個附加的微控製器或FPGA來處理與每個電機控製器的通信。通常使用的基於以太網的協議有PROFINET
、 EtherNet/IP和EtherCAT標準，這些標準仍然在演進。其他的協議包括了CAN和Modbus.在這種情況下使用SoC的優勢

，是在單一 FPGA平台上支持多種工業以太網協議標準。

根據終端係統目標
，可以通過重用IP和協議棧（用於通信）來優化係統的成本
，或者通過仔細地在硬件（FPGA）和軟件（ARMCortex-M3子係統）中劃分功能來優化性能。

美高森美的SmartFusion2 FPGA具有內置CAN
、高速USB和千兆以太網模塊作為微控製器子係統的一部分。高速SERDES模塊用於實現涉及串行數據傳送的協議。

安全性

    SmartFusion2 SoC FPGA器件具有數項設計和數據安全特性。DPA認證反篡改保護和加密特性等設計安全特性能夠幫助保護客戶的知識產權。SoC FPGA器件還包括數據安全特性，例如ECC硬件加速器
、AES-128/256和SHA-256服務。對於數據安全性，可以使用EnforcIT IP Suite和CodeSEAL軟件安全構件，EnforcIT IP包括一套可定製內核（作為網表）

，有效地將安全層移到硬件中。CodeSEAL將對策注入到固件中
，可以獨立地使用，或者用作EnforcIT的提升。

實現協議的靈活性可讓設計人員使用多個安全層來認證從中央監控控製器進入的信息。

可靠性

    在多個市場中安全標準的增長推動了高可靠性的需求，SmartFusion2經設計滿足高可用性、安全關鍵型和任務關鍵型係統的需求
，以下是SmartFusion2 SoC FPGA提供的某些可靠性特性。

   （1）單粒子翻轉（SEU）免疫零FIT率配置。高可靠性運作需要SEU免疫零FIT率FPGA配置，SmartFusion2架構具有不受α或中子輻 射的免疫能力
，因為它使用閃存來配置路由矩陣和邏輯模塊中使用的晶體管。基於SRAM的FPGA在海平麵上的FIT（時間失效）率可能為1k~4k，在高 於海平麵5，000英尺的位置會高得多。高可靠性應用可接受的FIT率低於20
，這使得SmartFusion2最適合這些應用。

   （2）EDAC保護。SmartFusion2器件具有錯誤檢測與校正（EDAC）控製器
，可防止在微控製器子係統（MSS）存儲器中發生的單粒子翻轉錯誤。

   （3）無外部配置器件。在具有大量FPGA的複雜係統中，使用外部配置器件會降低可靠性。在上電時，FPGA需花費時間來進行配置

，這在使用多個 FPGA器件的應用中帶來了設計複雜性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件內部包含了配置存儲器，它提供了在器件一上電時就開啟的附加優勢。

   （4）軍用溫度級器件。SmartFusion2 SoC FPGA器件針對軍用溫度條件進行了全麵測試。軍用級器件具有10k和150k邏輯單元，並具有允許訪問密碼加速器的安全特性和數據安全特性。

總結

    美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用經過高度優化的電機控製IP模塊和經過驗證的參考設計，提供了數種降低工業設計TCO的特性。從微控製器遷移的客戶將能夠重用某些舊代碼，而 FPGA設計人員將能夠利用FPGA架構和ARM Cortex-M3子係統來創建一個高效的架構，允許電機控製模塊和通信模塊同時駐留在單一器件中。ARM Cortex-M3微wei控kong製zhi器qi子zi係xi統tong的de存cun在zai，可ke以yi實shi現xian靈ling活huo的de設she計ji和he智zhi能neng分fen區qu
，而er針zhen對dui性xing能neng和he成cheng本ben做zuo優you化hua。微wei控kong製zhi器qi子zi係xi統tong還hai可ke以yi在zai運yun行xing時shi間jian中zhong注zhu入ru和he記ji錄lu數shu據ju，加jia速su調tiao試shiFPGA設計。SmartFusion2平台還提供了實現工業通信協議的廣泛選項。它同時提供用於設計和數據安全的多項安全特性
，還提供了滿足高可靠性需求的特性。SmartFusion2係列器件備有強大的生態係統支持，能夠幫助客戶以最低TCO來開發工業解決方案。


推薦閱讀：

結合實例解讀模擬開關關鍵技術  

不可不知的射頻測試探針基本知識 

一文讀懂DC/AC SCAN測試技術